本發(fā)明涉及流體力學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種超聲速內(nèi)流流場三維定量重構(gòu)方法。

背景技術(shù)：

高超聲速進(jìn)氣道是吸氣式高超聲速推進(jìn)系統(tǒng)關(guān)鍵部件之一，其性能直接影響到飛行器的整體性能。而其中三維內(nèi)轉(zhuǎn)式高超聲速進(jìn)氣道相較于其他類型的高超聲速進(jìn)氣道有著諸多優(yōu)勢，如氣流捕獲率和壓縮效率高，總壓損失低等，因此倍受各國研究人員關(guān)注。

內(nèi)轉(zhuǎn)式進(jìn)氣道有著特殊的三維結(jié)構(gòu)，其內(nèi)部流場三維性強(qiáng)，波系結(jié)構(gòu)復(fù)雜，難以使用傳統(tǒng)的紋影方法進(jìn)行觀測，壁面靜壓測量也不足以反映內(nèi)部流場信息。

皮托壓測量方法可以直接得到隔離段出口截面定量的流場信息，并進(jìn)一步獲取進(jìn)氣道的總壓恢復(fù)系數(shù)等性能參數(shù)，通常用于進(jìn)氣道設(shè)計(jì)階段。文獻(xiàn)“采用新型基準(zhǔn)流場的高超內(nèi)收縮進(jìn)氣道實(shí)驗(yàn)研究”(作者南向軍)利用皮托壓測量方法對其設(shè)計(jì)的進(jìn)氣道進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，定量地獲得了隔離段出口流場的參數(shù)分布，進(jìn)而粗略地估算了進(jìn)氣道整體性能。然而，僅獲得隔離段出口截面的信息，并不能反映出進(jìn)氣道及隔離段內(nèi)部流場沿流向的發(fā)展情況。

因此，需要發(fā)展更全面的流場測量方法，來定量獲取三維內(nèi)轉(zhuǎn)式進(jìn)氣道及隔離段內(nèi)流道復(fù)雜的內(nèi)部流動(dòng)信息。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種超聲速內(nèi)流流場三維定量重構(gòu)方法，以便能夠更準(zhǔn)確定量獲取超聲速流道內(nèi)流復(fù)雜的內(nèi)部流動(dòng)信息，為后續(xù)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)和制造提供支持。

為達(dá)到上述目的，本發(fā)明第一方面提供的超聲速內(nèi)流流場三維定量重構(gòu)方法，包括：

步驟1)，在超聲速流道模型的流向上，選取多個(gè)相互間隔的橫截面作為測量面；

步驟2)，在每個(gè)所述測量面上均選取多個(gè)壓力測量點(diǎn)；

步驟3)，獲取每個(gè)所述壓力測量點(diǎn)的皮托壓，并且在任意一個(gè)所述測量面上，根據(jù)該測量面上的所述測量點(diǎn)的皮托壓構(gòu)建出該測量面的二維截面壓力參數(shù)；

步驟4)，根據(jù)各個(gè)所述測量面的二維截面壓力參數(shù)，插值得出所述超聲速流道模型在流向上更多橫截面的二維截面壓力參數(shù)，以此重構(gòu)出所述超聲速流道模型定量的三維流場。

本發(fā)明第二方面提供的超聲速內(nèi)流流場三維定量重構(gòu)方法，包括：

步驟1)，在超聲速流道模型的流向上，選取多個(gè)相互間隔的橫截面作為測量面；

步驟2)，在每個(gè)所述測量面上均選取多個(gè)壓力測量點(diǎn)；

步驟3)，獲取每個(gè)所述壓力測量點(diǎn)的皮托壓，并且在任意一個(gè)所述測量面上，根據(jù)該測量面上的所述測量點(diǎn)的皮托壓，采用插值法獲取該測量面上更多點(diǎn)的皮托壓，以此構(gòu)建出該測量面的二維截面壓力參數(shù)；

步驟4)，根據(jù)各個(gè)所述測量面的二維截面壓力參數(shù)，插值得出所述超聲速流道模型在流向上更多橫截面的二維截面壓力參數(shù)，以此重構(gòu)出所述超聲速流道模型定量的三維流場。

優(yōu)選的，所述步驟1)中用到的所述超聲速流道模型，包括進(jìn)氣段，和與所述進(jìn)氣段連接且可更換的待測量段，所述待測量段的個(gè)數(shù)與所述步驟1)中所選取的橫截面的數(shù)量一致，且每一個(gè)所述待測量段與所述進(jìn)氣段連接后，其下游端部均與其中一個(gè)所述測量面平齊。

優(yōu)選的，任意一所述待測量段的下游端部均設(shè)置有法蘭盤，在所述步驟3)中，所述測量點(diǎn)的皮托壓是通過設(shè)置在所述法蘭盤上，并嵌入所述待測量段內(nèi)的皮托耙測壓器獲取的。

優(yōu)選的，在所述步驟3)中，所述測量點(diǎn)的皮托壓是通過嵌入所述待測量段內(nèi)的皮托耙測壓器獲取的，且所述皮托耙通過軸線與所述測量段同軸的尾支桿支撐。

優(yōu)選的，所述皮托耙測壓器包括：

支撐架，所述支撐架包括多根由同一點(diǎn)呈放射狀延伸的支桿，所述支桿的末端內(nèi)接于同一圓上，且任意相鄰兩個(gè)所述支桿之間的夾角均相等；

皮托管，所述皮托管設(shè)置于所述支桿上，且所述皮托管沿每根所述支桿的軸向間隔分布，任意相鄰兩個(gè)所述皮托管之間的間距均相等；

與所述皮托管一一對應(yīng)相連的壓力傳感器。

優(yōu)選的，所述支桿的數(shù)量不少于4個(gè)。

優(yōu)選的，所述步驟1)中用到的所述超聲速流道模型，包括進(jìn)氣段，和與所述進(jìn)氣段連接的待測量段，所述待測量段由與所述步驟1)中所選取的橫截面數(shù)量一致的子節(jié)段組裝形成，且每一個(gè)所述子節(jié)段的下游端部分別對應(yīng)其中一個(gè)所述測量面。

優(yōu)選的，相鄰兩個(gè)所述子節(jié)段通過法蘭連接。

優(yōu)選的，在所述步驟2)中，還包括：在每個(gè)所述測量面位置處的超聲速流道模型壁面上布置靜壓測量點(diǎn)，所述靜壓測量點(diǎn)沿所述模型壁面的周向均勻布置。

可以看出，本發(fā)明中所公開的超聲速內(nèi)流流場三維定量重構(gòu)方法中，在超聲速流道模型流向上選取了多個(gè)相互間隔的測量面，并選取該測量面上的多個(gè)點(diǎn)進(jìn)行皮托壓測量，該測量面上多個(gè)點(diǎn)的皮托壓通過數(shù)學(xué)計(jì)算將反映出該測量面的二維截面壓力參數(shù)，然后綜合各個(gè)測量面上的二維截面壓力參數(shù)，加入流體的流向作為第三維坐標(biāo)，運(yùn)用數(shù)學(xué)計(jì)算就可以重構(gòu)出超聲速流道模型在流體的流向上定量的三維流場。

當(dāng)然，在每一個(gè)測量面上，獲取壓力測量點(diǎn)的皮托壓之后，可以采用插值法(如雙調(diào)和樣條插值法)將壓力測量點(diǎn)的壓力值插值到更細(xì)密的二維網(wǎng)格中，以便得出該測量面上更細(xì)密的二維截面壓力參數(shù)；同理，在重構(gòu)超聲速流道模型在流體流向上的三維流場時(shí)，可以在流體流向上插值得出超聲速流道模型更多橫截面的二維截面壓力參數(shù)，以便重構(gòu)出更加精細(xì)的定量三維流場。

附圖說明

圖1為本發(fā)明一種實(shí)施例中所公開的超聲速內(nèi)流流場三維定量重構(gòu)方法的流程示意圖；

圖2為發(fā)明實(shí)施例中所公開的超聲速流道模型的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3-圖6為本發(fā)明實(shí)施例中所公開的可更換待測量段的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖7為本發(fā)明實(shí)施例中所公開的皮托耙的結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明的核心是提供一種超聲速內(nèi)流流場三維定量重構(gòu)方法，以便能夠更準(zhǔn)確定量獲取超聲速流道內(nèi)流復(fù)雜的內(nèi)部流動(dòng)信息，為后續(xù)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)和制造提供支持。

為了使本技術(shù)領(lǐng)域的人員更好地理解本發(fā)明方案，下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。

請參考圖1，本發(fā)明中所公開的超聲速內(nèi)流流場三維定量重構(gòu)方法中，包括以下步驟：

1)在超聲速流道模型的流向上，選取多個(gè)相互間隔的橫截面作為測量面；

需要進(jìn)行說明的是，超聲速流道模型的流向具體是指超聲速流道模型中的流體的流向，并且根據(jù)流體的流向，超聲速流道模型可以區(qū)分出上游和下游。

2)在每個(gè)測量面上選取多個(gè)壓力測量點(diǎn)；

選取壓力測量點(diǎn)的目的是為了獲取測量面上的二維截面壓力參數(shù)，可以理解的是，壓力測量點(diǎn)選取的越多，相鄰兩個(gè)壓力測量點(diǎn)之間的間隙越小，則測量面上的二維截面壓力參數(shù)越準(zhǔn)確可靠。

3)獲取每個(gè)壓力測量點(diǎn)上的皮托壓，在任意一個(gè)測量面上，根據(jù)該測量面上的測量點(diǎn)的皮托壓構(gòu)建出該測量面的二維截面壓力參數(shù)；

采用數(shù)學(xué)計(jì)算方法，可以根據(jù)測量面上的壓力測量點(diǎn)的皮托壓計(jì)算得出該測量面上的壓力參數(shù)分布情況，從而構(gòu)建出測量面的二維截面壓力參數(shù)分布；

4)根據(jù)各個(gè)測量面的二維截面壓力參數(shù)分布，將流體的流向作為第三維度，通過數(shù)學(xué)計(jì)算可以重構(gòu)出超聲速流道模型在流向上定量的三維流場。

由以上技術(shù)方案可以看出，上述重構(gòu)方法中，先將整個(gè)超聲速流道模型分隔成為多個(gè)測量節(jié)段，將每個(gè)節(jié)段的下游出口位置作為測量面，選取測量面上的多個(gè)點(diǎn)進(jìn)行皮托壓測量，完成測量后根據(jù)這些點(diǎn)的皮托壓可以在二維平面內(nèi)構(gòu)建出測量面上的壓力參數(shù)分布；然后再加入流體的流向作為第三維坐標(biāo)，根據(jù)流向上多個(gè)測量面上的壓力分布參數(shù)就可以重構(gòu)出超聲流道模型在流體流向上定量的三維流場。

為了進(jìn)一步優(yōu)化上述方案，本發(fā)明還公開了一種實(shí)施例，本實(shí)施例與上一實(shí)施例的區(qū)別在于：在步驟3)中，獲取每個(gè)壓力測量點(diǎn)的皮托壓之后，根據(jù)該測量面上的測量點(diǎn)的皮托壓，采用插值法(主要是雙調(diào)和樣條插值法)獲取該測量面上更多點(diǎn)的皮托壓，以便在該測量面上構(gòu)建更細(xì)密的二維截面壓力參數(shù)分布，使結(jié)果更接近真實(shí)情況；同理，在步驟4)中，根據(jù)各個(gè)測量面的二維截面壓力參數(shù)，插值得出所述超聲速流道模型在流向上更多橫截面的二維截面壓力參數(shù)，以便重構(gòu)出更加精細(xì)的定量三維流場。

由于插值法為目前數(shù)學(xué)中公知的常識(shí)性方法，因此本案對該方法不再進(jìn)行贅述。

請參考圖2至圖6，上述實(shí)施例中，步驟1)中所用到的超聲速流道模型，包括進(jìn)氣段和與進(jìn)氣段連接的待測量段3，進(jìn)氣段具體可包括進(jìn)氣道外壓縮段1和進(jìn)氣道內(nèi)壓縮段2，待測量段3是可更換的，圖3至圖6代表了四段不同的待測量段，每一個(gè)待測量段3與進(jìn)氣段連接后，待測量段3的下游端部均與其中一個(gè)測量面平齊。

如圖2中所示，測量面具體選了四個(gè)，分別為第一測量面101、第二測量面102、第三測量面103以及第四測量面104，圖3中的待測量段3與進(jìn)氣段連接之后，待測量段3的下游(右端)所對應(yīng)的測量面為第一測量面101，圖4中的待測量段3與進(jìn)氣段連接之后，待測量段3的下游(右端)所對應(yīng)的測量面為第二測量面102，圖5中的待測量段3與進(jìn)氣段連接之后，待測量段3的下游(右端)所對應(yīng)的測量面為第三測量面103，圖6中的待測量段3與進(jìn)氣段連接之后，待測量段3的下游(右端)所對應(yīng)的測量面為第四測量面104。

在本發(fā)明中，任意一待測量段3的下游均設(shè)置有法蘭盤，上述方法中步驟3)的測量點(diǎn)的皮托壓的獲取是通過皮托耙測壓器獲得的，皮托耙測壓器設(shè)置在法蘭盤上，以完成對測量面上選取的測量段壓力的測量。

當(dāng)然，皮托耙還可以通過尾支桿進(jìn)行支撐，尾支桿的軸線與待測量段同軸，尾支桿支撐皮托耙嵌入待測量段內(nèi)實(shí)現(xiàn)測量面上皮托壓的測量。

所謂皮托耙，具體是多個(gè)皮托管設(shè)置在支撐架上之后類似于耙狀，如圖7中所示，皮托耙測壓器具體包括支撐架201、皮托管202以及與皮托管202相連的壓力傳感器，支撐架201包括多根由同一點(diǎn)呈放射狀延伸的支桿，支桿的末端內(nèi)接于同一圓上，并且任意相鄰兩個(gè)支桿之間的夾角均相等，以保證皮托管202在測量面的圓周方向上均勻分布，皮托管202設(shè)置在支桿上，皮托管202沿每根支桿的軸向間隔分布，任意相鄰兩個(gè)皮托管202之間的間距均相等，皮托管202的端部應(yīng)當(dāng)處于迎風(fēng)面，且與測量面平齊，壓力傳感器與皮托管202相連以獲取壓力測量帶點(diǎn)的壓力。

為了達(dá)到理想的測量效果，支撐架上支桿的數(shù)量不少于4個(gè)，當(dāng)支桿為4個(gè)時(shí)，將形成“十”字形支撐架，當(dāng)支桿數(shù)量為8個(gè)時(shí)，將形成“米”字形支撐架，當(dāng)然，其他數(shù)量的支撐桿也是被允許的，其前提保證充足的測量密度，并且不堵塞流體的流動(dòng)。

除此之外，本發(fā)明實(shí)施例中還公開了一種超聲速流道模型，該模型同樣由進(jìn)氣段和待測量段形成，待測量段由多段子節(jié)段組裝形成，子節(jié)段的數(shù)量與步驟1)中選取的測量面數(shù)量一致，并且每一個(gè)子節(jié)段的下游端部分別對應(yīng)其中的一個(gè)測量面。在該種情況下，相鄰兩個(gè)子節(jié)段之間優(yōu)選的通過法蘭連接。

更進(jìn)一步的，本實(shí)施例中所公開的內(nèi)流場三維定量重構(gòu)方法中，在上述實(shí)施例的基礎(chǔ)上進(jìn)行了優(yōu)化，在步驟2)中，還包括：在每個(gè)所述測量面位置處的超聲速流道模型壁面上布置靜壓測量點(diǎn)，所述靜壓測量點(diǎn)沿所述模型壁面的周向均勻布置。

通過布置靜壓測量點(diǎn)，可以利用測量的靜壓值線性差值得到測量面上各皮托壓測量點(diǎn)處的靜壓，再通過靜壓和皮托壓估算出測量面的馬赫數(shù)分布以及總壓恢復(fù)系數(shù)等截面參數(shù)。

以上對本發(fā)明所提供的超聲速內(nèi)流流場三維定量重構(gòu)方法進(jìn)行了詳細(xì)介紹。本文中應(yīng)用了具體個(gè)例對本發(fā)明的原理及實(shí)施方式進(jìn)行了闡述，以上實(shí)施例的說明只是用于幫助理解本發(fā)明的方法及其核心思想。應(yīng)當(dāng)指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以對本發(fā)明進(jìn)行若干改進(jìn)和修飾，這些改進(jìn)和修飾也落入本發(fā)明權(quán)利要求的保護(hù)范圍內(nèi)。